E N R I C O VESCHETTI

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1 Cianobatteri nelle acque destinate al consumo umano: analisi dei dati, gestione del rischio, principi, criteri e metodi di comunicazione del rischio BARI, 6-7/12/2011 MISURE DI MITIGAZIONE DEL RISCHIO E N R I C O VESCHETTI Istituto Superiore di Sanità - Dipartimento Ambiente e connessa Prevenzione Primaria

2 Trattamento convenzionale per la potabilizzazione di un acqua superficiale

3 Strategie di contenimento del rischio Utilizzo totale o parziale di una fonte alternativa di approvvigionamento non contaminata da cianobatteri Spostamento del punto di presa per minimizzare la captazione di strati fortemente contaminati da cianobatteri Trattamento dell acqua per rimuovere i cianobatteri e/o le loro tossine

4 Trattamenti dell acqua: rimozione dei cianobatteri Rimozione dei cianobatteri Preossidazione Convenzionali Microstacciatura Filtrazione lenta Filtrazione su membrana NaClO O 3 Coagulaz. Flocculaz. Flottazione Su sponda Su sabbia Microfiltrazione Ultrafiltrazione

5 Rimozione dei cianobatteri Preossidazione Migliora la coagulazione di cellule algali di alcune specie di cianobatteri Può causare danni di entità variabile alle pareti cellulari (lisi cellulare) La conc. residua di ossidante deve garantire la totale distruzione della tossina rilasciata dalla lisi cellulare

6 Rimozione dei cianobatteri Coagulazione e flocculazione L efficacia dipende dalla tipologia e dalla forma delle cellule algali presenti: un elevata motilità e una geometria allungata e filamentosa possono compromettere la coagulazione dei fiocchi Indicazioni contrastanti sul coagulante e sul polielettrolita: da ottimizzare mediante jar test e verifiche in impianto

7 Rimozione dei cianobatteri Coagulazione e flocculazione (cont.) Valutare l entità della lisi cellulare causata dall agitazione meccanica dopo l aggiunta dei reagenti Una volta confinati nel flocculato i cianobatteri perdono la loro vitalità, muoiono e possono rilasciare le tossine intracellulari nell acqua circostante: entro 24 h occorre isolare il fango e il suo supernatante fino alla completa degradazione delle tossine

8 Rimozione dei cianobatteri Flottazione ad aria o gas disciolti Efficace nella rimozione di elevati contenuti algali, soprattutto nel caso in cui siano presenti specie con vacuoli gassosi L efficienza del processo (55-100%) dipende dal tipo di alga ed è influenzata dalle condizioni operative che devono essere ottimizzate Necessità di ampi spazi per essere implementata in scala reale

9 Rimozione dei cianobatteri Microstacciatura Trattamento più efficiente della grigliatura fine (fori da µm) Rimuove solidi biologici e minerali dall acqua superficiale Rimuove le alghe multicellulari o filamentose, ma è meno efficace contro specie unicellulari Impiegabile come pretrattamento prima della filtrazione lenta su sabbia e della coagulazione

10 Rimozione dei cianobatteri Filtrazione lenta attraverso la sponda di un fiume/lago L acqua viene prelevata da un corso superficiale utilizzando pozzi trivellati a m dalla riva Il particolato sospeso in acqua viene filtrato della sponda, costituita da sabbia, ghiaia e pietrisco

11 Rimozione dei cianobatteri Filtrazione lenta attraverso la sponda di un fiume/lago (cont.) Molti contaminanti solubili vengono rimossi per adsorbimento o per biodegradazione nel biofilm presente nei primi centimetri del letto filtrante Rimuove cianobatteri e alcune tossine in soluzione quando il tempo di percorrenza dell acqua dal fiume/lago al pozzo è sufficientemente lungo (fino ad alcuni mesi) Il mescolamento del permeato con acque sotterranee di diversa origine determina la diluizione delle tossine non trattenute

12 Rimozione dei cianobatteri Filtrazione lenta su sabbia Trattiene quasi completamente le cellule algali e, per azione del biofilm, alcune tossine extracellulari Efficacia in parte compromessa dalla ricrescita algale al di sopra del letto filtrante

13 Rimozione dei cianobatteri Filtrazione lenta su sabbia (cont.) Le prestazioni raggiungibili sono influenzate da: Torbidità dell acqua in ingresso: valori >10 NTU possono causare l ostruzione del letto filtrante e favoriscono la ricrescita algale Velocità di filtrazione: influenza la perdita di carico del letto filtrante e la qualità dell eluato (prevenire rapide fluttuazioni >20% del valore di esercizio) Raschiatura superficiale della sabbia: per rimuovere lo strato di Schmutzdecke e i primi 2 cm di sabbia; il livello del letto è poi ripristinato aggiungendo sabbia pulita; si attende un periodo di maturazione del letto filtrante (3-4 gg), durante il quale la velocità di flusso viene incrementata gradualmente scartando l eluato prodotto o inviandolo in testa ad un altro filtro

14 Rimozione dei cianobatteri Filtrazione su membrana

15 Rimozione dei cianobatteri Filtrazione su membrana Rimozione dei cianobatteri con membrane per micro e ultrafiltrazione La distribuzione dimensionale dei pori varia in funzione del produttore (0,1-3 µm per la microfiltrazione; 0,002-0,2 µm per l ultrafiltrazione) e deve essere attentamente selezionata

16 Rimozione dei cianobatteri Filtrazione su membrana (cont.) Sia la micro che l ultrafiltrazione non trattengono le tossine rilasciate da cellule algali danneggiate dal flusso attraverso la membrana e dal gradiente di pressione applicato Frequenti controlavaggi riducono il rischio del rilascio di tossine dalla massa algale Rispetto ai sistemi pressurizzati quelli a membrana sommersa riducono il rischio di rilascio di tossine: si evita il pompaggio dell acqua a monte della membrana; il gradiente di pressione è più contenuto In caso di bloom algali importanti, filtrazioni spinte possano comportare fenomeni di clogging con conseguenti aumenti dei gradienti di pressione e difficoltà di esercizio della stazione di filtrazione

17 Trattamenti dell acqua: rimozione delle cianotossine Rimozione delle cianotossine Filtrazione su membrana Bio-filtrazione Adsorbimento su carbone attivo Disinfezione Osmosi inversa Nanofiltrazione PAC GAC NaClO O 3

18 Rimozione delle cianotossine Adsorbimento su carbone attivo in polvere (PAC) Aggiunto prima della coagulazione o durante la sedimentazione; rimosso dall acqua con la massa dei fiocchi o per filtrazione; smaltito con i fanghi o l acqua di controlavaggio Impiego limitato al periodo della fioritura algale per contenere i costi di esercizio

19 Rimozione delle cianotossine Adsorbimento su carbone attivo in polvere (PAC) (cont.) I tempi di contatto sono limitati per sfruttare completamente la capacità totale di adsorbimento Il dosaggio immediatamente prima o durante la coagulazione può ridurre la sua efficacia per interazione con i fiocchi Il sito più idoneo di immissione è rappresentato da una vasca di contatto a monte della coagulazione o dalla condotta che collega il punto di presa all impianto di trattamento Competizione della NOM: conc. NOM >> conc. tossine (3 ordini di grandezza)

20 Rimozione delle cianotossine Tossina Tossina µg/l PAC mg/l Microcistina mlr Microcistina mla Microcistina myr Microcistina mrr Cilindrospermopsina Tipologia di PAC Vegetale attivato chimicamente; Minerale con molti mesopori Vegetale attivato chimicamente; Minerale con molti mesopori Vegetale attivato chimicamente; Minerale con molti mesopori Vegetale attivato chimicamente; Minerale con molti mesopori Vegetale attivato chimicamente; Minerale con molti mesopori Saxitossina Vegetale attivato con vapore Anatossina A Vegetale attivato chimicamente; Minerale con molti mesopori Tempo di contatto: 1 h; NOM 5 mg/l

21 Rimozione delle cianotossine Adsorbimento su carbone attivo granulare (GAC) Impiegato tra il trattamento convenzionale e la post-disinfezione o nella filtrazione primaria in sostituzione della sabbia o dell antracite o anche in aggiunta alla sabbia stessa E posto all interno di adsorbitori a letto fisso realizzati installando serbatoi ad-hoc o convertendo filtri rapidi a gravità preesistenti

22 Rimozione delle cianotossine Adsorbimento su GAC (cont.) Il letto tende progressivamente a saturarsi formando un fronte di adsorbimento che avanza progressivamente nel tempo; quando il fronte raggiunge l uscita del letto si registra la caratteristica curva di breakthrough Il tempo necessario alla saturazione del GAC dipende dal tipo di carbone impiegato, dalla conc. e dalla natura della NOM e dal tempo di residenza nel letto vuoto Al decrescere della velocità di flusso si osserva un incremento dell efficienza di adsorbimento e la riduzione dell ampiezza del fronte di adsorbimento

23 Rimozione delle cianotossine Adsorbimento su GAC (cont.) La capacità adsorbente dipende dalle caratteristiche del GAC e delle tossine da rimuovere e dal metodo di attivazione del GAC Quando il filtro a carbone attivo non è più in grado di trattenere le cianotossine, il GAC deve essere rigenerato termicamente o sostituito Per la scelta del GAC effettuare test compartivi di efficacia per la rimozione delle tossine presenti all ingresso dell impianto Tutti gli adsorbitori a GAC sviluppano attività biologica che può essere esaltata mediante preozonizzazione o incremento del tempo di residenza L attività biologica produce biomassa che deve essere controllata con frequenti controlavaggi: ciò può ridurre la vita operativa del GAC per abrasione meccanica

24 Rimozione delle cianotossine Filtrazione su membrana Le MC sono ritenute dalle membrane impiegate nell osmosi inversa e nella nanofiltrazione Le STx, la ATx-a e la CYL sono rimosse solo dalle membrane per osmosi inversa Permeano le tossine più piccole in presenza di pori più larghi o se l integrità della membrana è compromessa Difficilmente applicabile agli impianti di grandi dimensioni per la complessità gestionale MC: microcistine, STx: saxitossine, CYL: cilindrospermopsina, ATx-a: anatossina A

25 Disinfezione Rimozione delle cianotossine Disinfettante Efficacia Osservazioni NaClO NH 2 Cl ClO 2 O 3 CYL > MC >> STx; ATx-a inerte myr > mrr > mlr > mla inefficace inefficace CYL > MC > ATx-a >> STx competizione con NOM ph > 8; con. > 0,3 mg/l per 5 min competizione con NOM e Alk H 2 O 2 inefficace efficace con O 3 e UV KMnO 4 efficace verso CYL, MC, ATx-a Pochi dati disponibili UV inefficace MC: microcistine, STx: saxitossine, CYL: cilindrospermopsina, ATx-a: anatossina A

26 Rimozione delle cianotossine Trattamenti biologici Le MC e la CYL sono sensibili alla biodegradazione Solo alcuni microrganismi sono in grado di degradare le tossine algali Tutti i GAC funzionano anche come biofiltri dopo alcune settimane dalla loro messa in esercizio E richiesto un periodo di acclimatazione del biofilm (fase di latenza) durante il quale le tossine non sono degradate La biodegradazione è inibita dalla disinfezione, da temperature <10 C, da tempi di residenza <10 min Al momento la bio-filtrazione non è considerata una barriera efficace tranne che nella filtrazione lenta attraverso la sponda di un fiume/lago MC: microcistine, CYL: cilindrospermopsina

27 Efficacia relativa dei trattamenti Trattamento CB MC STx CYL ATx-a Coagulazione, flocculazione Flottazione Microstacciatura Filtrazione su sponda Filtrazione lenta su sabbia Microfiltrazione Ultrafiltrazione Nanofiltrazione N/A Osmosi inversa N/A CB: cianobatteri, MC: microcistine, STx: saxitossine, CYL: cilindrospermopsina, ATx -a:anatossina A

28 Efficacia relativa dei trattamenti Trattamento CB MC STx CYL ATx-a PAC N/A GAC N/A Biofiltrazione Cl NH2Cl ClO O H2O KMnO UV CB: cianobatteri, MC: microcistine, STx: saxitossine, CYL: cilindrospermopsina, ATx-a: anatossina A